[論文レビュー] Cross correlation mediated by distant Majorana zero modes with no overlap

Lupei Qin, Wei Feng+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 47被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、マヨラナ零モードの非局所性に起因する非局所的相関が、結合エネルギー ǫM → 0 であっても、全電流をアンドリエフ過程に関連する成分に分解することにより、2端子マヨラナデバイスにおける分岐回路電流間の非局所的相関を検出する手法を提案する。マスター方程式と量子ジャンプ技術を用いたアプローチにより、マヨラナ零モードの非局所的性質に起因して非局所的相関が持続することを示し、ゼロバイアス導電率ピークと併せて、真正のマヨラナ零モードを確認する決定的な実験的シグネチャーを提供する。

ABSTRACT

Existing studies via shot noise calculation conclude that the cross correlation between the currents in the two leads connected by a pair of Majorana zero modes (MZMs) vanishes when their coupling energy $\epsilon_M o 0$. Motivated by the intrinsic nature of nonlocality of the MZMs, we revisit this important problem and propose an experimental scheme to demonstrate the nonvanishing cross correlation even at the limit $\epsilon_M o 0$. The proposed scheme employs the Andreev-process-associated branch circuit currents, which are theoretically obtained by applying a decomposition analysis for the total currents while in practical measurement, are accessible directly. For different bias voltage setup, we find intriguing results of both negative and positive correlations and carry out simple physical understanding using a quantum jump technique. Importantly, combining together with the evidence of the zero-bias-peak of conductance, the nonlocal cross correlation predicted in this work can help to definitely confirm the existence of the nonlocal MZMs.

研究の動機と目的

• マヨラナ零モード（MZMs）の非局所的性質にもかかわらず、ǫM → 0 の極限で全リード電流の相関が消えるという長年のパズルを解明すること。
• 全電流測定を超えて、MZMsの本質的非局所性を露呈する実験的に測定可能な量を同定すること。
• ゼロバイアス導電率ピークと併せて、真正のMZMsを確認する決定的な実験的シグネチャーである、分岐回路電流間の非局所的相関を提供すること。
• 非局所的相関がバイアス電圧に応じて正または負を取り得ることを示し、より洗練された診断ツールを提供すること。

提案手法

• マヨラナ零モードを有する3端子系におけるトンネル過程およびアンドリエフ過程を記述するため、リンドブラッド超演算子を用いた修正されたマスター方程式アプローチを適用する。
• 占有数状態表現を用いてf準粒子の占有状態を追跡し、非局所的ダイナミクスの解析を可能にする。
• 量子ジャンプ技術を用いて全リード電流を、超伝導体から各リードへ戻る分岐回路電流の成分に分解する。
• レベル幅およびアンドリエフ過程におけるエネルギー保存をモデル化するため、一般化されたローレンツ型スペクトル関数 eδ(ω ∓ ǫM) を導入する。
• 電子およびホール過程のための結合率 Γ±α および eΓ±α を導出し、通常のトンネル過程とアンドリエフ過程を区別する。
• 抽出された分岐回路電流間の相関を計算する。これらは実験的に直接測定可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マヨラナ零モードの結合エネルギー ǫM → 0 の極限においても、遠く離れたリード間の非局所的相関が持続するか、これは従来のショットノイズ計算とは対照的である。
• RQ2 全リード電流を超えて、MZMsの非局所的性質を露呈する測定可能な電流成分は存在するか。
• RQ3 異なるバイアス電圧設定下での非局所的相関の物理的起源と符号（正または負）は何か。
• RQ4 非局所的相関は実験的にアクセス可能であり、自明な効果と区別可能か。
• RQ5 非局所的相関は、真正のMZMsを確認するためのゼロバイアス導電率ピークとどのように関連するか。

主な発見

• アンドリエフ過程に関連する分岐回路電流間の相関は、マヨラナ零モードの非局所的性質に起因し、ǫM → 0 の極限でも消えない。
• 非局所的相関はバイアス電圧設定に応じて正または負の値を取り、豊かな非局所的ダイナミクスを示す。
• 量子ジャンプ技術を用いて抽出された成分電流は、実験的に直接測定可能な分岐回路電流に対応する。
• 微小バイアス電圧下でも非局所的相関は頑健であり、レベル幅を考慮するスペクトル関数 eδ(ω ∓ ǫM) に支配される。
• 予測された非局所的相関がゼロバイアス導電率ピークと組み合わされると、真正の非局所的MZMsを確認する決定的な実験的シグネチャーが得られる。
• 全電流の相関が消えるという文献における長年の矛盾を解消し、成分電流が隠れた非局所性を明らかにすることを示した。